专利名称：一种mpeg－2到avs视频码流格式转换方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及视频传送领域，尤其涉及一种MPEG-2格式的视频数据转换成AVS格式的视频压缩数据的方法。
背景技术：
MPEG是运动视频专家组(Moving Picture Experts Group)的简称，1988年ISO/IEC(International Organization for Standard/InternationalElectrotechnical Commission)成立MPEG制定运动图像压缩的国际标准，并于1992年发布了ISO/IEC1172(MPEG-1)。1990年ISO/IEC又开始制定MPEG-2的视频压缩标准，它的设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间，其在NTSC制式下的分辨率可达720×486，MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个加重低音声道，和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。该标准于1994年11月公布(ISO/IEC13818-2)[1]。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。MPEG-2还专门规定了多路节目的复分接方式。此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。
MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列，按编码图像的分辨率分成四个“级(Levels)”；按所使用的编码工具的集合分成五个“类(Profiles)”。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。在20种可能的组合中，目前有11种是已获通过的，称为MPEG-2适用点。
MPEG-4于1999年正式成为国际标准。不同于MPEG-1和MPEG-2，MPEG-4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重于多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4标准主要应用于可视电话(Video Phone)，视频电子邮件(Video Email)和电子新闻(Electronic News)等。
H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)的联合视频组(JVTjoint video team)开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年开始征集草案，2003年正式成为国际标准。H.264当中采用了多项新技术，如统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4×4块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得H.264算法具有很的高编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50％左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。
AVS是“数字音视频编解码技术标准工作组”(简称AVS工作组)制定的中国国家信源编码标准[2]。AVS是一套适应面十分广阔的技术标准，优势表现在以下几个方面(1)AVS是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的自主标准，妥善解决了知识产权问题；(2)编码效率高，比MPEG-2国际标准高2-3倍(高清晰度电视可达到3倍或更多)；(3)计算复杂度低，硬件实现成本较低；(4)AVS可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源，显著降低传输、存储设备与系统的经济投入。在技术上AVS采用了与H.264类似的技术。编码效率是MPEG-2视频的2-3倍(根据视频画面尺寸不同有所不同)，超过了国际上的MPEG-4 AVC/H.264标准，而且方案简洁，实现复杂度明显比MPEG-4 AVC低。
随着AVS标准的颁布，新的视频将采用AVS标准进行压缩和存储。对于已有的MPEG-2格式的视频数据存在着从MPEG-2到AVS码流格式转换的要求。在以往的转码的研究和应用中，由于宏块的尺寸是固定的，运动估计矢量可以直接重用。但是AVS采用了多模式运动估计技术。产生了单一模式向多模式进行转换的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法及其装置，避免了复杂的模式选择算法，从而实现了单一模式向多模式进行转换，实现了MPEG-2到AVS视频码流格式的快速转换。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，包括以下步骤a)MPEG-2码流变长解码，输出码流分别执行下一步和步骤d)；b)对输入码流进行反量化后输出码流；c)对输入码流进行反DCT变换，输出码流执行步骤e)；d)对输入码流进行模式映射及运动矢量变换，输出码流执行步骤g)；e)对输入码流进行整数变换后输出码流；f)对输入码流进行量化后输出码流；g)对输入码流进行变长编码后输出AVS码流。
在上述方案中，步骤a)、步骤b)和步骤c)中的变换符合MPEG-2解码器中变长解码规范。
在上述方案中，步骤d)中，对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零。
在上述方案中，步骤e)中整数变换是对经过反DCT变换的残差进行符合AVS标准的变换。
在上述方案中，步骤f)和g)中的变换符合AVS标准的变长编码规范。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换装置，包括变长解码单元、反量化单元、反DCT变换单元、模式映射及运动矢量变换单元、整数变换单元、量化单元及变长变码单元，其中变长解码单元，用于对输入的MPEG-2码流进行变长解码，输出码流至反量化单元和模式映射及运动矢量变换单元；反量化单元，对量化系数缩放后得到变换系数，输出码流至反DCT变换单元；反DCT变换单元，该单元将变换系数矩阵转换成空域样值矩阵，输出码流给整数变换单元；模式映射及运动矢量变换单元，在该单元中，设定宏块头信息中的模式信息，并将运动矢量左移一位，码流经该单元变换后输出码流给变长编码单元；整数变换单元，用于对经过反DCT变换单元的残差进行符合AVS标准的变换，输出码流至量化单元；量化单元，用于码流符合AVS标准的量化，输出码流至变长变码单元；
变长编码单元，用于对量化单元输出的码流和经过模式映射及运动矢量变换单元编码的码流进行符合AVS标准的变长编码，输出AVS码流。
在上述方案中，所述模式映射及运动矢量变换单元，对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零。
由上可知，本发明所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法及其装置，避免了复杂的模式选择算法，充分利用了MPEG-2原始码流的信息，从而实现了单一模式向多模式进行转换，实现了MPEG-2到AVS视频码流格式的快速转换。
图1是现有技术AVS中存在的宏块划分模式示意图；矩形里的数字表示宏块划分后运动矢量和参考索引在码流中的顺序。
图2是本发明MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法流程图；图3是本发明MPEG-2到AVS视频码流格式转换装置结构示意图。
具体实施例方式
下面结合本发明的具体实施例详细说明本发明的技术方案。
MPEG-2视频算法是一种混合编码算法-运动补偿离散余弦变换算法。这种算法属于第一代的视频压缩算法，采用块(Block)结构，适用于不同信号，它主要包括以下内容时域预测减少视频图像的时间冗余；频域分解用DCT(离散余弦变换)分解图像的空间块，充分利用静态和逻辑上的空间冗余；量化在保证质量损失最小的条件下确定选择传送哪些信息，以减少比特率；变长编码利用由量化和附属信息构成的符号序列的静态冗余进行熵编码。
现有技术中，MPEG将图像分为3种类型I图像(Intra-picture)，利用图像自身的相关性压缩，采用基于DCT的变换编码技术，减少空间冗余信息；P图像是参考过去的帧内图像或过去预测得到的图像用运动预测补偿技术进行编码，这些预测图像经常作为进一步预测的参考，预测图像的编码效率较高；B图像在预测时，既可以使用前一个图像作参考，也可以使用下一个图像作参考，或者同时使用前后两个图像作为参考图像，它的压缩效率最高，但是双向预测图像不能作为预测的参考图像。
采用了以上3种帧图像分类后，运动补偿技术主要用于消除P图像和B图像在时间上的冗余。MPEG中，运动补偿技术在宏块一级工作。每个图像帧被分成16×16的块，每个块有4个8×8(Y)亮度块和两个(Cb和Cr)色度块组成。这一组6个块称为宏块。它是MPEG-2运动估计补偿的基本单位。每个包含运动信息的16×16宏块，相对于前面相邻宏块的运动信息做差分编码，得到运动差值，对于运动差值信息，再使用变长编码的方法，从而达到进一步压缩数据的目的。
在MPEG-2中，运动估计的精度可以达到1/2像素。MPEG标准只说明了怎样表示运动信息，如根据运动补偿类型，前向预测，后向预测，双向预测等，每个16×16宏块可包含有一个或两个运动矢量。但它采用基于块的表示方法，使用块匹配技术是可行的。
在AVS标准中，帧图像也被分为3类I图像，解码时不参考其它图像；P图像，解码时的参考图像在当前图像之前(显示顺序)；B图像，解码时的参考图像在当前图像之前和之后(显示顺序)。
AVS中视频解码过程的基本处理单元是宏块，一个宏块包括一个16×16的亮度样值块和对应的色度样值块。宏块可进一步划分到最小8×8的样本块来进行预测。变换的单元是8×8的样本块。变换系数进行标量量化。除此之外，AVS不限定编码器中变换和量化的处理方法。
如图1所示，在AVS的运动预测中，一个宏块(MB)可以按图1被分为不同的子块，形成4种不同模式的块尺寸。这种多模式的灵活和细致的划分，更切合图像中实际运动物体的形状，大大提高了运动估计的精确程度。在这种方式下，在每个宏块中可以包含有1、2或4个运动矢量。图1中矩形里的数字表示宏块划分后运动矢量和参考索引在码流中的顺序。
AMS的变换8×8的块为基本单位。变换系数进行标量量化。除此之外，AVS不限定编码器中变换和量化的处理方法。
综合以上分析，可知AVS和MPEG-2在编码方法上存在的主要差异由以下几个方面(见表1)表1
转码的目的是在编码效率、速度和图像质量之间取得一个平衡的结果。
AVS属于基于树结构运动补偿方法的新一代编解码标准。根据黄晁等人[4]对这类标准的测试代码进行复杂度测试的结果，运动估计占了整个计算量的54.8％，4×4的帧内预测编码占了24.5％，1/4内插占了9.9％，DCT变换占了5.2％，而16×16的帧内预测编码仅仅占了0.1％。因此要降低视频转码的复杂度，实现实时转码，必须充分利用原有码流的运动估计矢量等信息，并简化1/4内插和模式选择算法。
本发明提供的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法针对AVS标准中帧间预测存在多种选择模式，其中包含了16×16的宏块模式这一特点，将MPEG-2码流经过变长解码、反量化和反DCT变换之后，直接映射成AVS 16×16预测模式，同时对应的运动矢量左移一位即将1/4内插值置为0，然后再进行变换、量化和编码。本方法的重点在于简化MPEG-2码流转换到AVS码流的过程中预测模式选择和运动估计的复杂度，MPEG-2码流变长解码、反量化、反DCT变换及AVS编码中变换、量化和变长编码均为现有技术。
如图2所示，一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法包括以下步骤步骤100，MPEG-2码流变长解码，输出码流分别执行步骤110和步骤130，在该步骤中，符合MPEG-2解码器中变长解码规范，具体细节可参考ISO/IECInternational Standard 13818-2.Generic Coding of Moving Pictures andAssociated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.2；步骤110，反量化符合MPEG-2解码器中变长解码规范，具体细节可参考ISO/IEC International Standard 13818-2.Generic Coding of MovingPictures and Associated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.3和7.4；步骤120，反DCT变换，符合MPEG-2解码器中变长解码规范，输出码流执行步骤140，具体细节可参考ISO/IEC International Standard 13818-2.Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.5；步骤130，模式映射及运动矢量变换对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零，变换后码流执行步骤160。
步骤140，整数变换对经过反DCT变换的残差进行符合AVS标准的变换，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
步骤150，量化符合AVS标准的量化，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
步骤160，变长编码，对上一步量化后的码流和经过步骤130变换后的码流进行变长编码，符合AVS标准的变长编码，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
下面结合图3详细说明本发明应用上述MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法的装置。
如图3所示，一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换装置1包括变长解码单元10、反量化单元20、反DCT变换单元30、模式映射及运动矢量变换单元40、整数变换单元50、量化单元60及变长变码单元70。其中变长解码单元10，用于MPEG-2码流变长解码，MPEG-2码流经变长解码单元10解码后向反量化单元20和模式映射及运动矢量变换单元40输出码流，在变长解码单元10中解码符合MPEG-2解码器中变长解码规范，具体细节可参考ISO/IECInternational Standard 13818-2.Generic Coding of Moving Pictures andAssociated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.2；反量化单元20，对量化系数缩放后得到变换系数，符合MPEG-2解码器中变长解码规范，具体细节可参考ISO/IEC International Standard 13818-2.Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.3和7.4；反DCT变换单元30，将变换系数矩阵转换成空域样值矩阵，符合MPEG-2解码器中变长解码规范，该单元输出码流给整数变换单元，具体细节可参考ISO/IECInternational Standard 13818-2.Generic Coding of Moving Picturesand Associated Audio InformationVideo.Nov.1994.中的7.5；模式映射及运动矢量变换单元40，对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零，码流经该单元变换后输出码流给变长编码单元70；整数变换单元50，用于对经过反DCT变换单元30的系数进行符合AVS标准的变换，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
量化单元60，用于码流符合AVS标准的量化，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
变长编码单元70，用于对量化单元60输出的码流和经过模式映射及运动矢量变换单元40编码的码流进行符合AVS标准的变长编码，具体细节可参考AVS标准及其参考软件。
综上所述，本发明提供的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法及其装置，避免了复杂的模式选择算法，充分利用了MPEG-2原始码流的信息，从而实现了单一模式向多模式进行转换，实现了MPEG-2到AVS视频码流格式的快速转换。
权利要求
1.一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，包括以下步骤a.MPEG-2码流变长解码，输出码流分别执行下一步和步骤d)；b.对输入码流进行反量化后输出码流；c.对输入码流进行反DCT变换，输出码流执行步骤e)；d.对输入码流进行模式映射及运动矢量变换，输出码流执行步骤g)；e.对输入码流进行整数变换后输出码流；f.对输入码流进行量化后输出码流；g.对输入码流进行变长编码后输出AVS码流。
2.如权利要求1所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，其特征在于，步骤a)、步骤b)和步骤c)中的变换符合MPEG-2解码器中变长解码规范。
3.如权利要求1所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，其特征在于，步骤d)中，对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零。
4.如权利要求1所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，其特征在于，步骤e)中整数变换是对经过反DCT变换的残差进行符合AVS标准的变换。
5.如权利要求1所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换方法，其特征在于，步骤f)和g)中的变换符合AVS标准的变长编码规范。
6.一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换装置，其特征在于，包括变长解码单元、反量化单元、反DCT变换单元、模式映射及运动矢量变换单元、整数变换单元、量化单元及变长变码单元，其中变长解码单元，用于对输入的MPEG-2码流进行变长解码，输出码流至反量化单元和模式映射及运动矢量变换单元；反量化单元，用于对量化系数缩放后得到变换系数，输出码流至反DCT变换单元；反DCT变换单元，用于将变换系数矩阵转换成空域样值矩阵，该单元输出码流给整数变换单元；模式映射及运动矢量变换单元，设定宏块头信息，并将运动矢量左移一位，码流经该单元变换后输出码流给变长编码单元；整数变换单元，用于对经过反DCT变换单元的系数进行符合AVS标准的变换，输出码流至量化单元；量化单元，用于码流符合AVS标准的量化，输出码流至变长变码单元；变长编码单元，用于对量化单元输出的码流和经过模式映射及运动矢量变换单元编码的码流进行符合AVS标准的变长编码，输出AVS码流。
7.如权利要求6所述的一种MPEG-2到AVS视频码流格式转换装置，其特征在于，所述模式映射及运动矢量变换单元，对于帧内预测宏块，采用AVS对帧内块的模式选择和编码方案进行编码；对于帧间预测宏块，设定其预测模式为16×16，对应的运动矢量左移一位，即置1/4插值为零。
全文摘要
本发明涉及一种MPEG－2到AVS视频码流格式转换方法及其装置，该装置包括变长解码单元、反量化单元、反DCT变换单元、模式映射及运动矢量变换单元、整数变换单元、量化单元及变长变码单元，MPEG－2码流输入变长解码单元解码，输出码流一路经过反量化单元、反DCT变换单元、整数变换单元、量化单元输出给变长编码单元，另一路经过模式映射及运动矢量变换单元输出给变长编码单元，最后由变长编码单元编码输出AVS码流。本发明的方法及其装置避免了复杂的模式选择算法，充分利用了MPEG－2原始码流的信息，从而实现了单一模式向多模式进行转换，实现了MPEG－2到AVS视频码流格式的快速转换。
文档编号H04N7/26GK1671208SQ20041002945
公开日2005年9月21日 申请日期2004年3月19日 优先权日2004年3月19日
发明者张鹏, 黄庆明, 张远, 吕岩, 高文 申请人:中国科学院计算技术研究所